小区智能照明设计.docx
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小区智能照明设计
本科毕业设计论文
题目
小区智能照明设计
专业名称
学生姓名
指导教师
毕业时间
摘要
智能路灯节能控制器是针对在社区照明上所存在的的能源消耗而设计出的新型节能控制器。
将是集稳压控制、软起动功能、自动起停、智能调压控制于一体的路灯控制装置。
晶闸管功率变换单元和智能控制系统相结合是该控制装置的主要特点，利用可变电抗器隔离高压和低压，将电抗器的一次绕组（高压）与路灯相串联，在电抗器中增加二次绕组（低压），将二次绕组与晶闸管和具有模糊控制算法的控制系统相联，通过改变其低压绕组上的电压来控制高压绕组上电压的变化，从而到达改变路灯端电压的效果，以实现路灯的软起动和调压节能。
本设计侧重于对控制器的设计，在照明系统中智能路灯节能控制器是核心，它对整个系统起着决定性的作用。
讨论了智能路灯节能控制系统的构思、设计方案，介绍了该装置的系统设计、工作原理，详细分析了以AT89S52单片机和专用镇流芯片IR21592为主控单元的硬件电路和CAN总线的通信模块设计，针对路灯端电压的控制进行了软件设计，采用了时间控制，环境参数控制以及手动控制相结合的控制策略。
本设计的中心就是利用智能照明系统实现能源在照明上的优化利用。
这也是本设计的主题思想。
关键词：
智能照明，节能控制，可变电抗器，照明控制策略
Abstract
Intelligentenergy-savinglamplightingcontrolleristargetedatthecommunitiesthatexistedontheenergyconsumptionofthedesignofthenewenergy-savingcontroller.Willbethesetofregulatorcontrol,soft-startfunction,automaticstart-stop,intelligentvoltagecontrolinonestreetcontroldevice.Thyristorpowerconversionunitandintelligentcontrolsystemisacombinationofthemainfeaturesofthecontroldeviceusedtoisolatehigh-voltagetransformerandlow-pressurereactor,thereactorinawinding（highpressure）andthestreetlampsinseries,inthereactortoincrease2sub-winding（lowvoltage）,andthesecondarywindingwiththeSCRcontrolalgorithmwithfuzzycontrolsystemsarelinked,bychangingthevoltageonitslow-voltagewindingtocontrolthehighvoltagewindingonthevoltagechanges,soastoachievetheeffectofchangingthelampvoltageinordertoachievestreetlampenergysavingsoftstartandvoltageregulator.
Thedesignfocusedoncontrollerdesign,intelligentlightingsystems,energy-savinglampcontrolleristhecore,itplaysadecisiveroleintheentiresystem.Discussionofenergy-savingcontrolsystemforintelligentstreetlightconcept,design,introducedthedevice'ssystemdesign,workingprinciple,adetailedanalysisinordertoAT89S52microcontrollerandadedicatedchip,IR21592ballastforthemaincontrolunitofthehardwarecircuitsandCANbuscommunicationmoduledesignforstreet-sidevoltagecontrolofthesoftwaredesign,usingtimecontrol,environmentalcontrolandmanualcontrolparametersofacombinationofcontrolstrategies.
Thecenterofthisdesignistheuseofintelligentlightingsystemstoachieveenergyontheoptimaluseoflighting.Thisisalsothethemeofthisdesignidea.
Keywords：
Intelligentlighting,energy-savingcontrol,substationreactor,lightingcontrolstrategy
摘要
第一章绪论
1.1课题概述
1.1.1课题研究背景
课题研究的目的及意义
1.2路灯节能方法
传统路灯节能方法
智能路灯节能方法
第二章住宅小区路灯设计的方案和方法
2.4供配电及照明控制
第3章路灯节能控制系统的总体方案设计
智能控制器结构设计
第4章系统硬件设计
4.2控制器设计以及其外部电路
控制器最小控制系统
串行通信接口设计
4.2.3A/D和D/A转换电路
开关量输入/输出电路
第五章软件结构设计
第六章结论
致谢
参考文献
第一章绪论
1.1课题概述
课题研究的背景
随着我国城市的开展、经济的繁荣、社会的进步和人们提高生活水平及环境质量的要求，小区道路照明和夜景照明已经成为小区规划、建设和管理中的一项重要工作。
花园小区道路照明和夜景照明是方便城市居民必备的生活条件，而花园小区的夜景照明是再塑和美化小区形象、鼓舞民心、振奋精神的一项非常有意义的工作。
近几年来，全国许多大小城市的小区在设计和开发亮点方面，均把居住环境作为重点之一。
在推进城市亮化工程的同时，充分的利用和节约能耗也越来越得到各级政府的广泛重视。
采用先进技术和科技手段，分时间段对道路照明系统电压的调整、控制，用智能化的控制方式到达节约道路照明综合费用的目的〔电费和维修费用〕，还可将节约的大笔资金再投入其他的美化工程工程中去。
早在90年代初，兴旺国家就已经广泛的使用了智能照明调控系统，来降低城市照明的费用支出。
国家发改委、建设部、国家质量技术监督局已在2000年下发了223号文件?
关于进一步推进"中国绿色照明工程"的意见?
的通知，提出推广节能、高效的照明灯具和智能照明调控系统，深入开展绿色照明节能工作。
目前国内大局部城市的道路照明管理系统直至现在仍在沿用简单的光控、时控等传统控制方式。
这些系统普遍存在着难以反应路灯运行状态信息、难以进行远程控制等局限，根本没有节电效果。
并且采用传统的人工巡检，不仅使路灯管理部门的任务繁重，也增加了运行维护的费用。
据调查，各小区照明的平均时间为11小时，而晚22点后，小区内车少人稀，此时仍将道路上保持原照明的亮度，不能按需调控，显然是白白的耗资金。
我国大局部小区路灯都采用“全夜灯〞的方式进行照明，普遍存在的问题有
两点:
一方面，后半夜行人稀少，采用“全夜灯〞的方式浪费太大，因此，有的地方采取前半夜全亮，后半夜全灭的“半夜灯〞照明方式;有的地方在后半夜采取“亮一隔一〞或“亮一隔二〞的节电措施，此种方式虽然节约了电费支出，却带来了社会治安和交通平安问题，不利于城市形象。
另一方面，在后半夜因行人稀少，而应该降低路灯的照度，以防止光源污染，影响居民的晚间休息。
但是，由于后半夜是用电低谷期，电力系统电压升高，路灯反而比白天更亮了。
这不仅造成能源浪费，还大大影响了设备和灯具的使用寿命。
目前，路灯照明广泛使用高压钠灯，其设计寿命在12000小时以上，在正常情况下至少可用3年，但是由于超压使用，现在路灯灯泡的实际寿命只有1年左右，有的甚至只有几个月，造成维护和材料的浪费极大。
较高的电压不仅不能让负载设备更有效地工作，而且会引起发热及过早损坏，还会产生不必要的电费开支。
基于以上原因，很有必要适当降低用电设备的电压。
课题研究的目的及意义
本课题的研究意义可以归结为以下几个方面:
（l）为小区公共照明提供一种科学有效的节电方案。
（2）提高小区路灯管理水平，在改善小区道路照明质量的同时，又可以节省人力物力。
（3）从国家的城市公共事业建设策略上来说，网络化的公共照明系统也是数字化小区的一个重要组成局部，可以为小区的数字化建设做一个良好的根底和参考。
（4）提高了小区根底设施管理水平，有利于提高城市形象。
路灯是我国经济开展和国家建设中必需的用电设备，它在我国的整体用电量中所占比例巨大，如果通过节能装置对其进行有效控制，就能够降低电力损耗，到达节约能源，降低生产安装本钱，有助于我国经济的快速开展。
本文研究的智能照明系统是在路灯的启停和运行过程中，通过不同的照明控制策略来调节路灯的端电压，控制路灯的照明亮度，从而改变了路灯在不同时段的耗电量，改善了功率因素，到达了节约电能的目的。
1.2路灯节能方法
传统路灯节能方法
对现有照明系统的节能改造，一般采用加装节能设备，较为经济和实用，目前国内销售的照明节能设备很多，其中照明控制调控装置所占比例最大。
传统的路灯节能方法可以分为以下几种:
（1）.晶闸管斩波型照明节能装置
原理:
采用可控硅斩波原理，通过控制晶闸管（可控硅）的导通角，将电网输入的正弦波电压斩掉一局部，从而降低了输出电压的平均值，到达控压节电的目的。
这类节能调控设备对照明系统的电压调节速度快，精度高，可分时段实时调整，有稳压作用，因为主要是电子原件，相对来说体积小、设备轻、本钱低。
但该调压方式存在致命缺陷，由于斩波，使电压无法实现正弦波输出，还会出现大量谐波，形成对电网系统谐波污染，危害极大，不能用在有电容补偿电路中。
（现代照明设计要求规定，照明系统中功率因数必须到达0.9以上，而气体放电灯的功率因数在一般在0.5以下，所以都设计用电容补偿功率因数）在国外兴旺国家，已有明文规定对电气设备谐波含量的限制，在国内，北京、上海、广州等大城市，已对谐波含量超标的设备限制并入电网使用.大功率可控硅斩波型节电设备，因其自身存在谐波污染的缺陷，如果加装滤波设备，本钱太高，是不经济的，所以此类设备是不宜用于照明电路中。
谐波的危害
a.缩短电力电容器的使用寿命，严重情况下，会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。
b.变压器的铜耗、铁耗增大，减少变压器的实际使用容量，浪费电能。
c.增加电气设备附加损耗，减少出力，浪费电能，严重时使电气设备过热，烧
损。
d.造成开关、接触器等电气设备的误动作，自动化仪表不能正常工作。
e.产生严重的、看不见的电磁波干扰，使有线和无线信号无法接收和传输，影
响、电视、播送、电脑等设备的正常使用，损害人体正常生理机能。
（2）.自祸降压式调控装置
现在市场上最多照明节电产品就是此类产品。
它的原理是，通过一个自祸变
压器机芯，根据输入电压上下情况，接连不同的固定变压器抽头，将电网电压降
低5、10、15、20V等几个档，从而到达降压节电的目的。
这类产品最
大的优点是克服了可控硅斩波型产品产生谐波的缺陷，实现了电压的正弦波输
出，结构和功能都很简单，当然可靠性也比拟高。
存在的技术缺陷:
l）固定多档降压器
由于其核心部件是一个多抽头的变压器，变压比是固定的，一般副边有三到五个降压抽头，分别降5V、10V、15V、20V，一旦接线端固定，降低电压就是固定值，当电网电压波动时，调控装置的输出电压也会上下波动，这样照明的工作电压处在不稳定波动状态，无法起到对电光源的保护作用。
如下图，当电网电压高时，节电率不是最正确状态;而电网电压低时，可能出现欠压现象，造成灯具无法正常点亮，反而降低灯具寿命，这是这类调控装置存在的最大平安缺陷。
当用电顶峰时，电压过低，电气设备也无法正常运行。
2）接触器型降压器
这类调控装置为了能做到额定电压正常启动，并在过电压和欠电压时跳到旁路（设备的平安保护），一般都用的都是交流接触器来进行切换，这是最简单和常用的方法。
但是，如果用接触器作为节电产品的电压调整装置的话，其平安性、可靠性和无故障工作寿命都不能保障，存在平安隐患，原因如下:
a.交流接触器的工作原理是用电磁线圈吸合、断开，来控制触头常开或是常闭，属机械移动部件，只适用于不经常动作的开关场合，如灯具、电器的开起和关断，切换次数是有限的，不适用于频繁切换的场合。
b.交流接触器在切换动作时，是机械的吸合和断开，所以会有短暂的10~20ms的断电，我们称之为“闪断〞，这样的断电会导致HID灯（高压气体放电灯，如高压钠灯、金卤灯、高压汞灯等）熄灭。
这种灯的特性决定，在熄灭以后，必须等到灯管冷却，蒸气压下降后才能再点亮，一般需要5~10min左右，在使用中，这将是个严重故障。
根据以上原因，交流接触器是不能用来控制照明调控装置进行频繁切换的。
所以，生产和销售此类节电产品的厂家，一般做不到实时稳定电压、多时段调控等功能，这也就是这类节电产品的缺点所在。
从这两类节电产品来看，它们各有优缺点，之所以不能得到大量使用，是因为其本身都存在技术缺陷，可控硅（相控）型优点是，可实时精确控制输出电压，满足照明用电的最正确值，缺陷是电压无法实现正弦波输出，有谐波污染。
而自祸降压型的优点正好是能做到电压正弦波输出，却不能实现电压的自动精确控制，只能固定降电压，不能升压和稳压，如果能将两者优势结合互补，去除缺陷，就是相比照拟理想的照明节能产品了。
智能路灯节能方法
智能照明调控装置工作原理，采用微电脑控制系统，实时采集输出、输入电压信号与最正确照明电压比拟，通过计算进行自动调节，从而保证输出最正确的照明系统工作电压。
智能照明调控装置在结合前两类节能产品的优点的根底上，克服了其中存在的缺陷，具体优点表达在以下四个方面:
（1）优化电力质量，节约照明用电
针对电网电压偏高和波动等现象，调控装置可根据用户现场实际需求，实时在线调控输出最正确照明工作电压，并能将其稳定在±2%以内，有效提高电力质量，从而到达节电10%~40%的效果。
并且可以根据用户实际的照明需求，调控装置还可通过程序进行多时段节能电压设置，从而满足用户不同光源、不同时间的需求，实现最正确照明状态和最大节电率。
（2）有效保护电光源，延长其使用寿命
软启动、慢斜坡
影响电光源寿命的一个重要因素是，启动和运行时电流和电压对光源的冲击。
为了有效的降低电流冲击和提高灯的寿命，在国外高档灯具产品中，要求灯具有软启动功能。
智能调控装置能够实现灯具的软启动和慢斜坡控制过程。
灯具在启动时，采用低压软启动，充分预热。
该过程可减少40%的启动电流冲击，有效提高光源寿命。
在调压、稳压的过程中，智能调控装置采用慢斜坡方式，让电压在设定时间内缓慢过渡，保证光源不受电压、电流波动的冲击，从而降低电光源损坏，延长使用寿命。
实时稳压、控压
在电压波动很大的地方，如电气设备比拟多的厂区，一分钟内的电压波动到达±15%；路灯后半夜的供电电压也会到达250V。
智能调控装置高稳定的最正确照明电压，能够延长电光源寿命2~4倍，减少照明运行、维护本钱30%~50%。
（3）智能照明调控
为了满足不同用户对照明灯具控制的需要，智能调控装置有三种运行模式可供选用:
端子控制节能运行模式
时间控制节能运行模式
通讯控制节能运行模式
可按现场实际情况，通过天文钟、智能探头或内部编程、远程计算机遥控，实现时控、光控、程控等多种智能化控制。
并可根据不同时段、不同灯具、不同亮度要求，每相独立调节，允许100%不平衡。
（4）适用性、可靠性
调控装置每相可独立调节，可操作性强，可以承受三相100%的不平衡负载，且保证单相的故障绝不影响其它两相的正常运行。
同一个装置可以带不同类型光源负载，还可以独立调节每相的输出电压。
这种节能方式的提出，与传统的路灯节能方法相比拟具有本质上的突破，其综合性能如表1一1所示。
表1一1几种路灯节能方式比拟
路灯节能方法法
常用控制
节能方法
光源节能方法
智能路灯节能
控制方法法
启动方法
一般启动
一般启动
软启动
光源选择
常用光源
节能光源
常用光源
控制方式
简单控制
简单控制
智能控制
能量损耗
较小
较小
最小
可靠性
低
较低
最低
使用寿命
短
较短
长
启动电流
大
大
较小
环境要求
无污染
有一定污染
无污染
光源更换周期
较短
短
较长
本钱
低
适中
适中
电网谐波
大
大
小
负载容量
适中
适中
较大
节能效果
较好
好
好
由上表可知，智能路灯节能控制系统与目前市场上常用的控制节能方法、光源节能方法相比拟，具有明显的技术优势，从产品的本钱和其消耗使用效率上来看也具有较强的价格优势。
所以，综合来讲，智能路灯节能控制系统在路灯照明节能领域应该很有前途的产品。
第二章住宅小区路灯设计的方案和方法
现代住宅小区的照明设计已不单是小区道路的照明设计，往往还包括一些泛光照明设计。
照明设计分为两大类：
道路照明和环境照明。
其中为主体的的道路照明一般要求工作面上有充分的亮度、均匀、无眩光、照明器布置与周围协调、光源显色性好等等；环境照明那么不同，主要涉及照明心理学，一般要根据景观专业的需要设计被照射物的明暗，明暗比照是营造气氛的一种有效手段。
亮度要有差异，不可均一，可以利用小面积眩光来创造魅力感，也可以利用特殊色彩进行色彩照明。
讲通俗一点，一般道路照明要求亮度均匀，而环境照明那么要求亮暗区清楚显，一般一个小区都有一、二处亮点，当亮点的亮度为普通区域亮度的三倍左右时可以创造最正确的效果。
但是在处理住宅小区环境照明时应牢牢记住住宅小区道路照明的终极目标时让业主觉得本小区幽静、舒适。
住宅小区的照明只宜在主入口或公共区域设置，防止光污染的产生。
大型小区道路的特点时分叉多、路型复杂，因此要求道路照明要有较好的视觉指导作用。
在比拟窄的道路上采用单侧布灯的方式，该种布灯的优点是诱导性好，造价较低，缺点是不设灯的一侧路面亮度低于设灯的一侧，明暗过于明显。
在比拟宽的道路上可以采用之字型交替排列的布灯方式，该种布灯的优点时亮度均匀，特别是恶劣天气时所提供的照明条件比单侧布灯好得多，缺点是诱导性差。
为了防止小区道路照明给居民内环境引起不良的影响，要合理地选择灯位。
灯具及光源的选择是室外照明的关键。
庭院灯外观好而且形式多样，能很好地与小区建筑风格统一，所以道路照明灯具一般采用庭院灯，灯高控制在2.5~4m之间。
庭院灯不但夜晚能很好地保证照明效果，白天也能为小区营造优雅的环境气氛。
其材料可选用钢管、铸铝、不锈钢等。
为了防止飞虫等小生物进入灯具，灯具的防护等级不低于IP55。
由于小区〔主干道、主入口、公共生活区除外〕要求环境幽静而冷色光源更易给人静的感觉，所以住宅小区中室外照明中普遍采用高压钠灯及金属卤化物灯。
此类光源的优点是显色性好、光效高、使用寿命长，且满足了节能要求。
2.4供配电及照明控制
大型住宅小区内庭院灯数较多，从一个供配点供电往往馈出管线过多，并且供电半径过大，引起末端电压过大，如果仅靠增加线径来解决电压损失过大这个问题会大大的增加投资，给甲方带来不必要的经济负担。
因此可以考虑分区供电的方式，既能解决电压损失过大的问题，又能减少馈出的管线根数，使配电系统更加简单，有利于今后管线的维护，各配电点经控制电缆直接联接到小区路灯控制室，有条件的可以配备照明控制系统。
小区主干道照明、支路照明、绿化景观照明可采用单独回路供电，这样就可以根据不同的需要，对主干道上和局部路灯及绿化景观内的路灯实行单独控制，既节约电能，又满足不同节目亮灯的需求。
综上所述，在现在住宅小区的照明系统中，对路灯的控制使我们智能照明系统的核心，掌握了路灯节能控制系统，就根本解决了智能照明系统，因此在下面本文着重介绍只能路灯控制器。
第3章路灯节能控制系统的总体方案设计
目前，常用调光方法有:
（1）可变电阻调光法;
（2）调压器调光法;（3）脉冲占空比调光法;（4）脉冲调频调光法;（5）调节高频逆变器供电电压调节法等。
调光按照使用的控制方法可以分为模拟调光（模拟1~10V调光）与数字调光（数控调光）两大类。
控制范围大小的实现方法又可以分为现场总线控制和计算机网络调光控制两大类。
照明控制系统可以分为以下几类:
l点灯控制型2.区域控制型3.网络控制型.4.节能控制型.目前，路灯系统一般采用钠灯、水银灯、金卤灯等灯具。
模拟调光和数字调光的镇流器工作原理图如图3—1和3—2所示:
3—1模拟调光电子镇流器工作原理图
早期的灯光控制使用0-10V的模拟量来代表亮度0%~100%，而每一回路以一条信号线（共用公共线）来处理。
.而回路越多代表连线数越多，传送距离越远信号压降问题也就越严重。
图2—2数控调光电子镇流器工作原理图
数控调光电子镇流器由IR21592可调光控制集成电路和微处理集成电路等组成，可以接收人工指令，遥控指令以及由程序设定的定时，开关灯等控制指令。
图3—3是本文提出的道路照明管理系统的组成示意图。
该系统由照明管理中心平台、照明区域控制器和智能节点组成。
照明管理中心平台负责整个系统的集中管理，包括进行远程实时控制、系统运行信息采集和监测。
照明区域控制器负责所辖路段的智能化照明控制、解析执行管理中心指令和采集上报运行数据。
智能节点负责单个路灯的控制和状态检测。
照明区域控制器和照明管理中心之间采用GS树GPRS进行数据传输，智能节点和照明区域控制器之间采用电力线载波通信方式进行数据传输。
其系统结构图如图3—4所示虚框内的智能控制系统是本论文研究的重点。
图3—4路灯节能系统结构框图
该节能方法是通过智能控制器对功率单元进行控制，进而操控可变电抗变换器来改变路灯的输出电压，通过改变路灯的光照来实现节能。
此方法利用了人眼在夜晚行进时对光照要求不敏感的特点改变了路灯的端电压，在不同的时段根据实际要求获得相应的照度，实现路灯亮度的智能化调节。
其功率单元原理图如下列图3—5所示:
图3—5功率单元原理图
其根本思想是:
将可变电抗变换器的一次绕组直接与路灯负载相接，在变换器中增加二次线圈，将二次线圈与功率变换器以及智能控制器连接。
通过智能控制器与电力电子功率变换单元来控制可变电抗器的二次绕组，到达改变可变电抗变换器一次阻抗的目的，进而改变路灯的输入电压，使路灯既可实现软起动又可以对其进行调节。
其智能控制器控制流程图如图3—6所示。
图3—6智能控制器流程图
其工作过程为:
首先，通过对光照信号的采
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